大斷面巖巷爆破施工工藝對(duì)比研究

呂兆海 趙長(zhǎng)紅 楊皓博 張錦宏 劉清偉 何秀池 岳曉軍

(1. 國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏自治區(qū)銀川市，750011;2. 陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西省咸陽(yáng)市，713500)

我國(guó)巖巷爆破技術(shù)經(jīng)歷了全斷面一次爆破、毫秒爆破、光面爆破3個(gè)階段，工業(yè)炸藥(水膠炸藥、乳化炸藥)的不斷發(fā)展和毫秒雷管的出現(xiàn)提高了地下空間工程(隧道、采礦、涵洞)施工效率。合理的鉆爆工藝不僅可以保證開挖質(zhì)量，還能加快施工進(jìn)度。鉆爆設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮開挖方式、施工進(jìn)度、施工機(jī)具以及圍巖類別、地質(zhì)構(gòu)造等因素。在鉆爆施工過程中，設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況的變化作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以期獲得最佳的爆破效果。

穩(wěn)定性巖體快速掘進(jìn)爆破通常采用全斷面爆破和分臺(tái)階法爆破。全斷面爆破是一種合理利用炸藥能量的控制爆破技術(shù)，根據(jù)巷道的特點(diǎn)進(jìn)行爆破參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，采用中深孔拋碴爆破、掏槽眼不同階起爆技術(shù)，增強(qiáng)了掏槽效果；周邊眼采用小眼孔及小直徑藥卷，實(shí)現(xiàn)光面成型，全斷面一次爆破工序環(huán)節(jié)少成巷速度快，爆破效果良好，但大斷面迎頭易片幫、冒落；臺(tái)階法爆破施工是最基本、運(yùn)用最廣泛的施工方法，Ⅲ～Ⅳ圍巖可采用兩臺(tái)階法，該方法靈活多變、適用性強(qiáng)，凡是軟弱地層、第四紀(jì)沉積地層，均可采用臺(tái)階法，但臺(tái)階法施工上下臺(tái)階存在平行作業(yè)難度大、工序銜接緊張、工時(shí)效率低的缺點(diǎn)。另外，臺(tái)階開挖會(huì)增加對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)。本文針對(duì)金家渠煤礦11采區(qū)第一、二中部車場(chǎng)斷面相同、巖性條件相近的情況，分別采用不同的爆破工藝，并對(duì)兩種爆破工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，得出了特定條件下采用全斷面爆破工藝的優(yōu)越性。

1 工程概況

金家渠煤礦位于寧夏自治區(qū)靈武市東南約100 km處，井田總體構(gòu)造為一由北向南逐漸傾伏的背斜構(gòu)造，背斜軸部由北向南逐漸由陡變寬緩，波幅由窄變寬；背斜西翼被尚家圈斷層切割，且煤層埋藏由北向南逐漸加深；背斜東翼被金家渠斷層破壞。金家渠斷層為東傾斜逆斷層，將東翼翼部抬升，煤層埋藏變淺。井田先期開采地段為杜窯溝斷層和馬柳斷層之間、尖兒莊背斜煤層埋藏較淺的北部(17勘探線以北)區(qū)域。11采區(qū)第一、二車場(chǎng)設(shè)計(jì)斷面23.1 m2，設(shè)計(jì)凈寬5.6 m，凈高4.2 m，巷道設(shè)計(jì)采用直墻半圓拱形，采用錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)，平均坡度為13°，巖石堅(jiān)固系數(shù)f=4～7，涌水量1.5 m3/h，為關(guān)鍵線路上的關(guān)鍵工程。

表1 巖石物理力學(xué)性能

井底車場(chǎng)受尖兒莊背斜影響，尤其巷道在背斜軸部附近，應(yīng)力較大，會(huì)產(chǎn)生大量裂隙及滑面。煤巖層走向(25°～36°)、傾向及傾角(19°～35°)發(fā)生較大變化，如圖1和圖2所示。三煤老頂為粗砂巖，膠結(jié)松散、裂隙孔隙發(fā)育，為主要含水層，巖石物理力學(xué)性能見表1。直接頂粉砂巖厚度局部發(fā)生變薄現(xiàn)象，在掘進(jìn)過程中，施工錨桿及錨索會(huì)出現(xiàn)滴水、淋水、涌水現(xiàn)象。

2 大斷面巖巷支護(hù)體系

11采區(qū)第一、二中車場(chǎng)采用錨、網(wǎng)、索、噴聯(lián)合支護(hù)。巷道全斷面使用?20 mm×2400 mm的螺紋鋼錨桿，每根錨桿使用2節(jié)MSK23/70樹脂藥卷錨固，錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm，錨桿呈矩形布置。拱部錨桿間排距為800 mm×900 mm。錨索使用?21.6 mm×7300 mm的鋼絞線，每根錨索使用4節(jié)MSK23/70樹脂藥卷錨固，錨索托板采用300 mm×300 mm×15 mm的鋼板。沿巷道中線打設(shè)3列錨索，五花布置，錨索間排距2000 mm(弧長(zhǎng))×1000 mm。混凝土噴射厚度150 mm，強(qiáng)度C20。

圖1 巷道布置平面圖

圖2 施工巷道圍巖環(huán)境

針對(duì)圍巖地質(zhì)條件、巖石構(gòu)造、破碎程度等要素，選取不同的光爆參數(shù)和掏槽方式，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的需求。同樣，盡可能地減少炸藥消耗和鉆孔工作量，最大程度上優(yōu)化爆破施工組織，提高鉆爆施工的爆破效果。巷道斷面支護(hù)見圖3。

圖3 巷道支護(hù)參數(shù)

3 爆破施工工藝工效對(duì)比

光面爆破是在開挖斷面的設(shè)計(jì)輪廓線上布置間距較小、互相平行的炮眼，選用低密度和低爆速的炸藥，采用不耦合裝藥，在主爆區(qū)之后起爆，以形成平整輪廓面的爆破作業(yè)方式。

全斷面爆破掘進(jìn)施工操作簡(jiǎn)單，工序少，相互干擾相對(duì)較少，便于施工組織管理；全斷面開挖有較大的作業(yè)空間，有利于采用大型配套機(jī)械化作業(yè)，提高施工速度，全斷面一次成型，對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)減少，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定有利。主要工序如下：全斷面一次鉆孔，并進(jìn)行裝藥連線后起爆，一次爆破成型，支護(hù)出渣后開始下一個(gè)鉆爆作業(yè)循環(huán)。

臺(tái)階法施工就是將結(jié)構(gòu)斷面分成兩個(gè)或幾個(gè)部分，具有上下斷面兩個(gè)工作面或多個(gè)工作面，分步開挖。其優(yōu)點(diǎn)是靈活多變、適用性強(qiáng)，有足夠的作業(yè)空間和較快的施工速度，能較早地使支護(hù)閉合，有利于開挖面的穩(wěn)定性和控制其結(jié)構(gòu)變形及由此引起的地面沉降。缺點(diǎn)是上下部作業(yè)互相干擾，應(yīng)注意下部作業(yè)時(shí)對(duì)上部穩(wěn)定性的影響，臺(tái)階法施工會(huì)增加對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)等。臺(tái)階法施工分正臺(tái)階法和反臺(tái)階法。

正臺(tái)階法：在穩(wěn)定性較差的巖層中施工時(shí)，將整個(gè)巷道斷面分為幾層，由上向下分部進(jìn)行開挖，每層開挖面的前后距離較小而形成幾個(gè)正臺(tái)階。

反臺(tái)階法：用于穩(wěn)定性較好的巖層中施工，也將整個(gè)巷道斷面分為幾層，在巷道底層先開挖寬大的下導(dǎo)硐，再由下向上分部擴(kuò)大開挖。進(jìn)行上層的鉆眼時(shí)，須設(shè)立工作平臺(tái)或采用漏斗棚架，后者可供裝碴之用。

3.1 正臺(tái)階法施工

11采區(qū)第一中部車場(chǎng)采用正臺(tái)階法施工，將巷道斷面分成上下兩個(gè)臺(tái)階，上下兩個(gè)臺(tái)階相距15 m，上臺(tái)階斷面高度2800 mm，每循環(huán)掘進(jìn)1.6 m，每天兩個(gè)循環(huán)；下臺(tái)階高度1000 mm，上部臺(tái)階每推進(jìn)3個(gè)循環(huán)下臺(tái)階起底1次，起底長(zhǎng)度為3個(gè)循環(huán)長(zhǎng)度。臺(tái)階法施工見圖4。

圖4 臺(tái)階法施工示意圖

每天兩個(gè)正規(guī)循環(huán)，每班分兩個(gè)作業(yè)小組，一部分上臺(tái)階迎頭打眼掘進(jìn)，一部分后巷下臺(tái)階打眼起底，兩個(gè)作業(yè)小組平行作業(yè)，上下臺(tái)階分次裝藥分次爆破，上下臺(tái)階出渣采用電動(dòng)挖機(jī)，挖機(jī)將上臺(tái)階矸石扒至后巷利用后巷刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)排矸，臺(tái)階法工藝流程見圖5。

圖5 臺(tái)階法施工工藝流程圖

3.2 全斷面爆破施工

3.2.1 全斷面施工工序

根據(jù)車場(chǎng)斷面尺寸及裝備情況，11采區(qū)第二中部車場(chǎng)施工中鑿巖工序采用滾班制作業(yè)，掘進(jìn)—出渣循環(huán)7 h，每天3個(gè)循環(huán)，節(jié)約3 h/d左右，兩天可循環(huán)7次，一個(gè)月在設(shè)備無(wú)影響的情況下可循環(huán)105次，每循環(huán)掘進(jìn)1.6 m，月進(jìn)尺可達(dá)168 m。掘進(jìn)流程如下：交接班—安全檢查—吊掛中腰線—點(diǎn)眼劃線定眼位—打眼—瓦斯檢查—裝藥—瓦斯檢查—連線放炮—瓦斯檢查—敲幫問頂—臨時(shí)支護(hù)—檢查巷道尺寸—出渣—第一次永久支護(hù)(巷道頂部錨網(wǎng))—出渣—敲幫問頂—檢查巷道尺寸—第二次永久支護(hù)(巷道墻幫錨網(wǎng)及錨索支護(hù))—噴漿—清理浮渣。兩次鉆眼分別為支護(hù)后拱部蹬渣鉆眼和出渣后工作面下部鉆眼。每班設(shè)4個(gè)鉆眼小組，每個(gè)鉆眼班組配備2人，4臺(tái)YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)。工作面鑿巖定機(jī)、定位、定眼和炮眼布置如圖6和圖7所示。

圖6 鑿巖斷面定機(jī)、定位、定眼示意圖

圖7 炮眼布置三視圖

工作面共布設(shè)101個(gè)炮眼，其中下部炮眼46個(gè)，上部炮眼55個(gè)，采用楔形掏槽。鑿巖小組的編號(hào)分別為A、B、C、D 4組，分別負(fù)責(zé)A上和A下、B上和B下、C上和C下、D上和D下部分的炮眼鑿巖。每臺(tái)鑿巖機(jī)平均打眼數(shù)25個(gè)，眼深1.6 m。不同類型炮眼裝藥結(jié)構(gòu)如圖8所示。

①—雷管腳線；②—黏土炮泥；③—水炮泥；④—雷管；⑤—藥卷；⑥—聚能穴圖8 裝藥結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 炮眼布置及裝藥量理論驗(yàn)證

利用下式計(jì)算單次爆破所需的炸藥量：

Q=qSln

(1)

式中：q——單位炸藥消耗量，取2.0 kg/m3；

S——巷道斷面積，取23.1 m2；

l——炮眼深度,取1.6 m；

n——炮眼利用率，取0.85。

根據(jù)下式計(jì)算每循環(huán)所需炮眼數(shù)目：

(2)

式中：N——炮眼數(shù)目，個(gè)；

m——每個(gè)藥卷長(zhǎng)度，取0.15 m；

x——炮眼裝藥系數(shù)，取0.4；

p——每個(gè)藥卷重量，取0.15 kg。

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算得出每循環(huán)需要的炸藥量為62.8 kg，所需要的炮眼數(shù)目為98個(gè)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工炮眼數(shù)目101個(gè)，消耗炸藥56.4 kg。理論計(jì)算跟現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工相比，炮眼數(shù)目理論小于實(shí)際，炸藥數(shù)量理論大于實(shí)際，說明在炸藥量一定的條件下，適當(dāng)增加炮眼數(shù)目可有效提高爆破效果。

爆破參數(shù)和巷道光面爆破參數(shù)見表2和表3。

表2 爆破參數(shù)表

表3 巷道光面爆破參數(shù)

3.3 巖石破壞分區(qū)及爆破機(jī)理

錢七虎院士等認(rèn)為爆炸致裂可分為4個(gè)階段：形成空腔-沖擊壓碎-空腔的動(dòng)力無(wú)波擴(kuò)張—彈性波傳播階段。第4個(gè)階段中的彈性波僅產(chǎn)生振動(dòng)，如圖9所示。爆破機(jī)理如圖10所示。

最大空腔半徑為：

(3)

式中：am——最大空腔半徑，m；

Q——爆炸當(dāng)量，kt；

ρ——巖石密度，kg/m3；

σ——巖石介質(zhì)的壓碎應(yīng)力極限，MPa；

E0——巖石楊氏模量，GPa。

壓碎區(qū)半徑為：

(4)

式中：b——壓碎區(qū)半徑，m。

徑向破裂區(qū)的半徑為：

(5)

式中：b0——徑向破裂區(qū)的半徑，m；

a0——初始體積空腔半徑，m；

σ0——巖石介質(zhì)的拉裂應(yīng)力極限，MPa。

1—彈性變形區(qū)；2—徑向破裂區(qū)；3—破碎區(qū)；4—空腔圖9 巖石破壞區(qū)劃分示意圖

圖10 爆破機(jī)理示意圖

3.4 爆破經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

在金家渠煤礦11采區(qū)第一、二中部車場(chǎng)斷面、巖性類似條件下分別采用臺(tái)階施工工藝和全斷面一次爆破施工工藝，從單進(jìn)水平、巷道成型、功效及材料消耗上比較，一次全斷面爆破效果顯著，具體比較參數(shù)見表4。

金家渠煤礦11采區(qū)第一、二中部車場(chǎng)巖石整體飽和平均抗壓強(qiáng)度大于10 MPa，屬于Ⅱ～Ⅲ類巖石，具備全斷面開挖的條件，局部地段存在軟弱夾層，對(duì)巷道圍巖的整體性有一定的影響，但從循環(huán)進(jìn)度、月進(jìn)度、材料消耗及功效等方面分析，選用全斷面爆破施工工藝的優(yōu)越性比較明顯，全斷面爆破工藝效果如圖11所示。

表4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

圖11 全斷面爆破工藝效果圖

4 結(jié)論

(1)采用全斷面光面爆破技術(shù)(掏槽方式楔形掏槽法)進(jìn)行施工，在精細(xì)組織和嚴(yán)格要求下，有效提高施工效率，平均循環(huán)進(jìn)尺1.6 m，月進(jìn)度達(dá)到168 m，工效顯著提高。

(2)通過現(xiàn)場(chǎng)爆破效果可知，選用合理的掏槽方式及多級(jí)輔助眼，巷道光面爆破成型效果較好，提高工作效率的同時(shí)也滿足巷道質(zhì)量要求。

(3)在全斷面爆破過程中通過對(duì)爆破斷面分塊，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)組織進(jìn)行定機(jī)、定位、定眼，有效提高了鉆眼效率并確保了鉆眼質(zhì)量，為實(shí)施全斷面爆破、提高單進(jìn)水平奠定了基礎(chǔ)。